(57)【要約】【課題】ピストン機関の運転時において、機関回転数の変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制すること。【解決手段】本発明に係るピストン機関１は、シリンダ２内をピストン３が往復運動する。ピストン３の往復運動は、クランク軸５によって回転運動に変換される。クランク軸５はクランクケース４内に配置されており、シリンダ２の一端はクランクケース４に接続されている。そして、クランク軸５の回転数が増加するにしたがって、圧力供給装置１１からクランクケース４内へ気体を供給して、クランクケース４内の圧力を増加させる。【選択図】        図１
2006283729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に配置されるピストンが往復運動するシリンダと、
前記シリンダの一端が接続されるケース体と、
前記ピストンが往復運動するときの周波数が増加するにしたがって前記ケース体の内部の圧力を増加させる圧力調整手段と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記ケース体の内部の圧力は、前記ピストンが往復運動するときの周波数の２乗に比例して変化することを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
前記ケース体の内部と、前記シリンダ内の作動空間とを連通可能な連通通路と、
前記連通通路に設けられて、前記ケース体の内部の圧力と前記作動空間の圧力との差圧が設定した限界値を超えると、前記ケース体の内部と前記作動空間とを連通させる限界差圧設定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
【請求項４】
前記ピストン機関の運転中において、前記ケース体の内部の圧力を前記ピストンが往復運動するときの周波数の２乗で除した許容値判定パラメータが、予め設定した許容範囲外にある場合には、前記許容値判定パラメータが前記許容範囲内に入るように、前記ケース体の内部の圧力を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献１には、スターリングエンジンの停止時には、スターリングエンジンの回転速度の変動が許容範囲内に収まるように、作動室内の圧力を調整する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２６４８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、運転時においての圧力調整は考慮されておらず、運転時における機関回転数の変化その他の運転条件変化によって、ピストン機関の運動系を構成する部品に、本来動力を取り出す上で必要な力以上の余分な力が作用する可能性がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストン機関の運転時において、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、内部に配置されるピストンが往復運動するシリンダと、前記シリンダの一端が接続されるケース体と、前記ピストンが往復運動するときの周波数が増加するにしたがって前記ケース体の内部の圧力を増加させる圧力調整手段と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
このピストン機関は、ピストンが往復運動するときの周波数（ピストンの往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン機関においては機関回転数がこれに相当する）が増加するにしたがって、クランクケース内の圧力を増加させる。これによって、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。
【０００７】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ケース体の内部の圧力は、前記ピストンが往復運動するときの周波数の２乗に比例して変化することを特徴とする。
【０００８】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ケース体の内部と、前記シリンダ内の作動空間とを連通可能な連通通路と、前記連通通路に設けられて、前記ケース体の内部の圧力と前記作動空間の圧力との差圧が設定した限界値を超えると、前記ケース体の内部と前記作動空間とを連通させる限界差圧設定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関の運転中において、前記ケース体の内部の圧力を前記ピストンが往復運動するときの周波数の２乗で除した許容値判定パラメータが、予め設定した許容範囲外にある場合には、前記許容値判定パラメータが前記許容範囲内に入るように、前記ケース体の内部の圧力を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、ピストン機関の運転時において、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１２】
なお、以下においては、ピストン機関の一例として熱機関であるスターリングエンジンを取り上げるが、この発明を適用できるピストン機関はこれに限定されるものではない。また、以下においては、スターリングエンジンを用いて車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【実施例】
【００１３】
この実施例に係るピストン機関は、ピストンが往復運動するときの周波数（以下ピストン周波数ともいう）ｆ、すなわち、ピストンが１往復するときに要する時間ｔの逆数の増加とともに、例えばクランク軸が格納されるケース体の内部の圧力を上昇させる点に特徴がある。ここで、ピストンの往復運動をクランク軸によって変換するピストン機関の場合、ピストンの１往復によってクランク軸は１回転するので、クランク軸が１回転するのに要する時間は、ピストンの１往復に要する時間ｔとなる。したがって、ピストン周波数ｆは、クランク軸の単位時間あたりにおける回転数、すなわちピストン機関の機関回転数に相当する。なお、ｎを当該ピストン機関の１分あたりにおける機関回転数とすると、ｆ＝ｎ／６０となる。以下においては、ピストンの往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン機関を例として説明するので、ピストン機関の機関回転数は、ピストン周波数ｆと同様の意味で用いる。
【００１４】
図１は、この実施例に係るピストン機関を含む排熱回収システムを示す断面図である。この実施例に係るピストン機関１は、いわゆるディスプレーサ型のスターリングエンジンである。なお、スターリングエンジンの形式は、ディスプレーサ型に限られず、α型スターリングエンジン等、他の形式でもよい。このピストン機関１は熱機関であり、例えば、内燃機関１４とともに車両に搭載される。そして、内燃機関１４の排ガスを熱源として駆動する。すなわち、この実施例において、ピストン機関１は、内燃機関１４の排熱回収装置として用いられる。
【００１５】
ピストン機関１が備えるディスプレーサ７は、ディスプレーサシリンダ７Ｔと、この内部を往復運動するディスプレーサピストン７Ｐと、ヒータ７Ｈ、再生器７Ｒ及び冷却器７Ｃで構成される熱交換器７ＨＥとを備える。ディスプレーサシリンダ７Ｔ、及び熱交換器７ＨＥ内には、ピストン機関１の作動流体（この実施例では気体であり、空気）が満たされている。ディスプレーサシリンダ７Ｔは、ディスプレーサピストン７Ｐによって熱交換器７ＨＥのヒータ７Ｈ側の空間（高温空間）と、冷却器７Ｃ側の空間（低温空間）とに仕切られる。そして、冷却器７Ｃ側の空間と、シリンダ２とは作動流体通路８で接続されており、ディスプレーサシリンダ７Ｔ内の作動流体がシリンダ２内へ導かれる。
【００１６】
熱交換器７ＨＥには内燃機関１４の排気通路１５が接続されており、内燃機関１４の排ガスによってヒータ７Ｈが加熱される。ディスプレーサピストン７Ｐは、ディスプレーサコネクティングロッド７Ｋによってクランク軸５に連結されており、ピストン３と所定の位相差で往復運動するように構成される。
【００１７】
ピストン機関１は、シリンダ（パワーシリンダ）２と、シリンダ２内を往復運動するピストン（パワーピストン）３と、ピストン３の往復運動を回転運動に変換するクランク軸５と、ピストン３とクランク軸５とを連結するコネクティングロッド６と、ケース体であるクランクケース４とを備える。ここで、シリンダ２内の空間であって、ピストン３とシリンダヘッド２Ｈとの間に形成される空間は作動空間２Ｉである。
【００１８】
クランクケース４は、クランク軸５を内部に回転可能に支持して格納する。シリンダ２は、一端がクランクケース４と接続されている。この実施例において、ピストン機関１のクランク軸５は、内燃機関１４の出力軸に取り付けられている。そして、ピストン機関１が内燃機関１４の排熱を回収することによって生み出した出力は、内燃機関１４の出力と合成されて取り出される。
【００１９】
なお、この実施例に係るピストン機関１は、ピストン３の往復運動が、クランク軸５によって回転運動に変換されるが、ピストン３の往復運動をそのまま出力として取り出すようなピストン機関であってもよい。例えば、この実施例に係るピストン機関は、ピストン３の往復運動を、リニアモータを発電機として利用することによって取り出すようなピストン機関であってもよい。
【００２０】
このピストン機関１は、圧力調整手段によってクランクケース４内が加圧される。ここで、クランクケース内の圧力は、クランクケース内の気体の平均圧力で表す。なお、この実施例においてクランクケース４内を加圧する気体は、ピストン機関１の作動流体（この実施例では空気）と同じ種類の気体である。
【００２１】
この実施例に係るピストン機関１は、ピストン機関１の機関効率を向上させるため、コネクティングロッド６やクランク軸５等といったピストン機関１の運動系を構成する部品を、ピストン機関１の正味負荷から受ける程度の力に対して耐え得るように設計する。このためには、コネクティングロッド６やクランク軸５等といった、ピストン機関１の運動系を構成する部品に加わる荷重を、ピストン機関１の正味負荷から受ける力程度に低減する必要がある。
【００２２】
かかる課題を解決するため、本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、クランクケース４内の圧力とピストン機関１の機関回転数（すなわちピストン周波数）とを特定の関係に維持することにより、ピストン３の作動時に作動空間２Ｉ内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺するようにした。そして、ピストン機関１の機関回転数が変化した場合であっても、クランクケース４内の圧力を変化させて、前記特定の関係を維持するようにした。
【００２３】
この実施例に係るピストン機関１が備える圧力調整手段は、圧力供給装置１１と、圧力調整機構１２とを含んで構成される。圧力調整機構１２は、切替弁１２Ｖと、弁動作装置１２Ｃとで構成される。弁動作装置１２Ｃは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０内に組み込まれている圧力制御装置３０によって制御される。なお、ＥＣＵ４０は、内燃機関１４を制御する。
【００２４】
圧力供給装置１１には、例えばコンプレッサや高圧の気体を蓄えた蓄圧ボンベ等を用いることができる。切替弁１２Ｖは、気体入口１２ｉと、気体出入口１２ｏ1と、気体出口１２ｏ2とを備える。そして、弁動作装置１２Ｃによって、気体入口１２ｉと気体出入口１２ｏ1との連通、及び気体出入口１２ｏ1と気体出口１２ｏ2との連通を切り替えることができる。ここで、切替弁１２Ｖの気体出入口１２ｏ1とクランクケース４とは、加圧気体通路１０で接続されている。また、圧力供給装置１１は、切替弁１２Ｖの気体入口１２ｉと接続されており、切替弁１２Ｖを介してクランクケース４内へ気体を供給し、クランクケース４内を加圧する。
【００２５】
クランクケース４内の圧力を増加させたい場合には、弁動作装置１２Ｃが気体入口１２ｉと気体出入口１２ｏ1とを連通させる。すると、気体入口１２ｉ、気体出入口１２ｏ1、加圧気体通路１０を通って、圧力供給装置１１からクランクケース４内へ気体が供給される。これによって、クランクケース４内の圧力が増加する。クランクケース４内の圧力を低下させたい場合には、弁動作装置１２Ｃが気体出入口１２ｏ1と気体出口１２ｏ2とを連通させる。すると、加圧気体通路１０、気体出入口１２ｏ1、気体出口１２ｏ2を通って、クランクケース４内の気体が大気中へ放出される。これによって、クランクケース４内の圧力が低下する。
【００２６】
このような構成により、クランクケース４内の圧力とピストン機関１の機関回転数とを特定の関係に維持することができる。その結果、ピストン機関１の運転条件が変化した場合でも、ピストン３の作動時に作動空間２Ｉ内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺することができる。
【００２７】
このピストン機関１は、作動空間２Ｉとクランクケース４の内部とが、連通通路９によって接続されている。連通通路９には、限界差圧設定手段である安全弁１３が設けられている。安全弁１３は、予め設定した限界値を超える差圧が加わると開き、安全弁１３に加わる差圧が前記限界値を下回ると閉じる。安全弁１３は、例えば、双方向の圧力リリーフ弁で構成する。
【００２８】
上述したように、この実施例に係るピストン機関１は、ピストン機関１の運動系を構成するコネクティングロッド６やクランク軸５等といった部品を、ピストン機関１の正味負荷から受ける程度の力に耐え得るように設計する。したがって、作動空間２Ｉ内の圧力とクランクケース４の内部の圧力との差圧が増加すると、ピストン機関１の運動系を構成する部品に想定外の力が作用することがある。
【００２９】
この実施例に係るピストン機関１は、作動空間２Ｉ内の圧力とクランクケース４の内部の圧力との差圧が予め設定した限界値を超えると、安全弁１３が開く。これによって、作動空間２Ｉ内とクランクケース４の内部とが連通して、作動空間２Ｉ内の圧力とクランクケース４の内部の圧力とが略等しくなる。このように、安全弁１３によって、作動空間２Ｉ内の圧力とクランクケース４の内部の圧力との差圧増加に起因して発生する、コネクティングロッド６やクランク軸５等に作用する想定外の力を抑制できる。その結果、コネクティングロッド６等を保護することができる。ここで、作動空間２Ｉ内の圧力とクランクケース４の内部の圧力との差圧が予め設定した限界値を超える場合とは、例えば、ピストン機関１のピストン周波数ｆ、すなわちピストン機関１の機関回転数を急激に変化させたような場合である。
【００３０】
次に、この実施例に係る圧力制御装置について説明する。図２は、この実施例に係る圧力制御装置を示す説明図である。この実施例に係るピストン機関１は、この実施例に係る圧力制御装置３０によって制御される。図２に示すように、圧力制御装置３０は、ＥＣＵ４０に組み込まれて構成されている。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）４０ｐと、記憶部４０ｍと、入力及び出力ポート３６、３７と、入力及び出力インターフェイス３８、３９とから構成される。
【００３１】
なお、ＥＣＵ４０とは別個に、この実施例に係る圧力制御装置３０を用意し、これをＥＣＵ４０に接続してもよい。そして、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース内圧力制御を実現するにあたっては、ＥＣＵ４０が備えるピストン機関１の制御機能を、前記圧力制御装置３０が利用できるように構成してもよい。
【００３２】
圧力制御装置３０は、制御パラメータ演算部３１と、圧力調整部３２とを含んで構成される。これらが、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース４内における圧力の制御を実行する部分となる。この実施例において、圧力制御装置３０は、ＥＣＵ４０を構成するＣＰＵ４０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ４０ｐには、内燃機関１４やピストン機関１の運転を司る機関制御部４０ｃが含まれている。
【００３３】
ＣＰＵ４０ｐと、記憶部４０ｍとは、バス３５3によって互いに接続される。また、ＣＰＵ４０ｐが備える圧力制御装置３０の制御パラメータ演算部３１と、圧力調整部３２と、ＣＰＵ４０ｐが備える機関制御部４０ｃとは、バス３５1、３５2、入力ポート３６及び出力ポート３７を介して接続される。これにより、圧力制御装置３０を構成する制御パラメータ演算部３１と、圧力調整部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、圧力制御装置３０は、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース４内における圧力の制御を、ＥＣＵ４０が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００３４】
入力ポート３６には、入力インターフェイス３８が接続されている。入力インターフェイス３８には、圧力センサ４１、機関回転数センサ４２その他の、ピストン機関１のクランクケース内圧力の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス３８内のＡ／Ｄコンバータ３８ａやディジタルバッファ３８ｄにより、ＣＰＵ４０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート３６へ送られる。これにより、ＣＰＵ４０ｐは、内燃機関１４の運転制御や、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース４内における圧力の制御に必要な情報を取得することができる。
【００３５】
出力ポート３７には、出力インターフェイス３９が接続されている。出力インターフェイス３９には、圧力調整機構１２が備える弁動作装置１２Ｃが接続されている。出力インターフェイス３９は、制御回路３９1、３９2等を備えており、ＣＰＵ４０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、この実施例に係る圧力制御装置３０は、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース４内における圧力の制御を実行することができる。
【００３６】
記憶部４０ｍには、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース内圧力を制御する場合の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ等が格納されている。ここで、記憶部４０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００３７】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ４０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース内圧力を制御する場合の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この圧力制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御パラメータ演算部３１、圧力調整部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この圧力制御装置３０を用いて、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース内圧力を制御する手順を説明する。なお、次の説明にあたっては、適宜図１、図２を参照されたい。
【００３８】
図３は、この実施例に係るクランクケース内の圧力を制御するための手順を示すフローチャートである。まず、圧力制御装置３０の制御パラメータ演算部３１は、ピストン機関１の目標負荷Ｗｍを取得する（ステップＳ１０１）。目標負荷Ｗｍは、例えば、ＥＣＵ４０の機関制御部４０ｃが、内燃機関１４に対する駆動要求や運転条件を基に決定する。制御パラメータ演算部３１は、機関制御部４０ｃが決定した目標負荷Ｗｍを取得する。
【００３９】
次に、制御パラメータ演算部３１は、取得した目標負荷Ｗｍから、目標機関回転数（目標とする機関回転数）Ｎｍを算出する（ステップＳ１０２）。この実施例において、ピストン機関１の機関回転数Ｎは、ピストン機関１の負荷Ｗの１／３乗に比例させて変化させる。このため、ピストン機関１の目標負荷Ｗｍが決定されれば、目標機関回転数Ｎｍは、目標負荷Ｗｍに基づいて決定することができる。ここで、ピストン機関１の機関回転数Ｎを、ピストン機関１の負荷Ｗの１／３乗に比例させて変化させる理由について説明する。
【００４０】
この実施例に係るピストン機関１は、クランクケース内圧力Ｐｃと機関回転数Ｎとを特定の関係に維持することにより、ピストン３の作動時に作動空間２Ｉ内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。このため、後述するように、クランクケース内圧力Ｐｃは、機関回転数Ｎの２乗に比例して変化させる。ここで、ピストン機関１の負荷Ｗは作動空間２Ｉ内に存在する作動流体の圧力に比例して変化する。なお、作動流体の圧力は、クランクケース内圧力Ｐｃと強い相関がある。また、ピストン機関１の負荷Ｗは機関回転数Ｎに比例して変化する。
【００４１】
この実施例に係るピストン機関１においては、例えば、機関回転数Ｎが２倍になると、クランクケース内圧力Ｐｃは機関回転数の２乗に比例して変化させるので、もとの圧力の４倍に増加させる。これによって、作動空間２Ｉ内に存在する作動流体の圧力ももとの圧力の４倍になる。したがって、そのときのピストン機関１の負荷Ｗは、もとの負荷Ｗの８倍になる。このように、この実施例に係るピストン機関１においては、負荷Ｗは機関回転数Ｎの３乗に比例して変化するので、ピストン機関１の機関回転数Ｎは、ピストン機関１の負荷Ｗの１／３乗に比例して変化させることになるのである。
【００４２】
目標機関回転数Ｎｍを算出したら、制御パラメータ演算部３１は、クランクケース４内の目標平均圧力（目標とするクランクケース内圧力）Ｐｍを算出する（ステップＳ１０３）。この実施例においては、ピストン機関１の機関回転数が増加するとともに、クランクケース４内の圧力を大きくする。したがって、ピストン機関１の目標機関回転数Ｎｍが決定されれば、クランクケース４内の目標平均圧力Ｐｍを算出することができる。なお、目標機関回転数Ｎ及び目標平均圧力Ｐｍが、この実施例に係るピストン機関１のクランクケース内圧力制御を実現するにあたっての制御パラメータとなる。
【００４３】
図４は、ピストンに加わる加速度による負荷及びピストンの作動による作動流体の圧力変化を示す説明図である。この実施例に係るピストン機関１は、クランクケース４内の圧力（クランクケース内圧力）Ｐｃと機関回転数Ｎ（すなわちピストン機関１のピストン周波数に相当する）とを特定の関係に維持する。これにより、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力Ｐｓと、ピストン３の作動により発生する加速度（すなわちピストンの速度の微分値）から受ける力Ｆとを相殺できる。
【００４４】
ここで、クランクケース内圧力とピストン機関１の機関回転数とを特定の関係に維持して、ＰｓとＦとを相殺するためには、ピストン機関１の内部摩擦をできるだけ低減することが好ましい。例えば、ピストン３を空気軸受によって支持したり、ピストン３を直線近似機構によって支持して往復運動させたりすることにより、ピストン機関１の内部摩擦を低減できる。
【００４５】
図４に示すように、例えば、ピストン機関１の機関回転数がＮ1のとき、クランクケース内圧力をＰｃ1に設定すれば、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力Ｐｓ1と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力Ｆ1とが相殺される。ここで、機関回転数がＮ2（Ｎ1＜Ｎ2）に変化したときにクランクケース内圧力がＰｃ1のままだと、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力（Ｐｓ1）よりも、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力（Ｆ2）の方が大きくなるので、両者は相殺されない。
【００４６】
そこで、図４に示すように、機関回転数がＮ2（Ｎ1＜Ｎ2）に変化したときには、それに応じてクランクケース内圧力をＰｃ2に変更して、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力をＰｓ2とする。これによって、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力Ｆ2は、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力Ｐｓ2と相殺できる。その結果、ピストン機関１の機関回転数Ｎの変化があった場合に、ピストン機関１の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。
【００４７】
ここで、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力Ｆは、ピストン周波数の２乗、すなわち機関回転数の２乗に比例する。したがって、ピストン周波数の変化、すなわち機関回転数の変化によってクランクケース内圧力Ｐｃを変更するにあたっては、クランクケース内圧力Ｐｃを機関回転数Ｎの２乗に比例して変化させる。
【００４８】
ここで、ピストン３の往復運動をクランク軸５によって回転運動に変換する場合、ピストン３の加速度変化は正確にｓｉｎ波を示す訳ではない。このため、このようなばらつきの要因を考慮して、クランクケース内圧力はピストンの周波数の概略２乗、すなわち機関回転数の概略２乗に比例して変化させる。本発明において、「クランクケース内圧力を機関回転数（ピストンの周波数に相当）の２乗に比例して変化させる」というときには、機関回転数の２乗のみならず、機関回転数の概略２乗も含む。なお、機関回転数とクランクケース内圧力との関係を予め実験等によって求め、これをマップ化してＥＣＵ４０の記憶部４０ｍに格納し、そのマップを参照して機関回転数からクランクケース内圧力を求めてもよい。
【００４９】
このように、この実施例に係るピストン機関１は、クランクケース内圧力とピストン機関１の機関回転数（ピストン周波数に相当）とを、機関回転数が変化した場合においても特定の関係に維持することにより、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。その結果、コネクティングロッド６やクランク軸５等といった、ピストン機関１の運動系を構成する部品に加わる荷重を、ピストン機関１の正味負荷から受ける力程度に低減できる。このため、コネクティングロッド６やクランク軸５等といったピストン機関１の運動系を構成する部品は、ピストン機関１の正味負荷から受ける力に耐え得る程度に設計することができる。
【００５０】
その結果、ピストン機関１の運動系を構成する部品を軽量化、小型化できる。また、ピストン機関１の運動系を構成する部品に加わる荷重を、正味負荷から受ける力程度に低減できるので、クランク軸５に設けるカウンターウェイトも少なくできる。これによって、ピストン機関１を駆動するエネルギを低減することができる。また、ピストン機関１の運動系を構成する部品を小型化できるので、ピストン機関１の運動系を構成する部品の摺動部も小さくなる。これによって、ピストン機関１の内部摩擦を低減できるので、ピストン機関１の内部損失を低減できる。
【００５１】
さらに、ピストン機関１の運動系を構成する部品の軽量化、小型化によって、ピストン機関１の製造コストを低減することもできる。特に、内燃機関等の排熱を回収するために用いるスターリングエンジンでは、低位の熱エネルギから熱エネルギを回収するため、内部摩擦を極限まで低減する必要がある。このため、この実施例に係るピストン機関１は、排熱を回収するために用いるスターリングエンジンに好ましい。
【００５２】
制御パラメータ演算部３１がクランクケース４内の目標平均圧力Ｐｍを算出したら（ステップＳ１０３）、制御パラメータ演算部３１は、許容値判定パラメータＰＮを算出する（ステップＳ１０４）。この実施例に係るピストン機関１は、上述したように、クランクケース内圧力とピストン機関１の機関回転数（ピストン周波数に相当）とを特定の関係に維持して、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。
【００５３】
しかし、外乱等の要因によって、クランクケース内圧力とピストン機関１の機関回転数とが、設定した特定の関係を維持できなくなった場合には、ピストン機関１の運動系を構成する部品に想定外の力が作用するおそれがある。このため、ステップＳ１０３で設定した目標平均圧力Ｐｍにおいて、ピストン３の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン３の作動により発生する加速度から受ける力とが、運動系を構成する部品の耐荷重等の許容範囲内において相殺されるか否かを判定する。
【００５４】
許容値判定パラメータＰＮは、ピストン機関１の運動系を構成する部品を保護する観点から定められるものであり、クランクケース内圧力（この段階では、設定した目標平均圧力Ｐｍがこれに相当する）を、ピストン周波数ｆの２乗で除した値（Ｐｍ／ｆ2）である。なお、ピストン機関１の機関回転数Ｎは、ピストン周波数ｆに相当するので、許容値判定パラメータＰＮには、設定した目標平均圧力Ｐｍを機関回転数Ｎの２乗で除した値（Ｐｍ／Ｎ2）を用いてもよい。
【００５５】
制御パラメータ演算部３１は、算出した許容値判定パラメータＰＮが、予め設定した許容範囲、すなわち第１閾値Ａよりも大きく第２閾値Ｂよりも小さい範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、前記許容範囲を規定する第１閾値Ａ、第２閾値Ｂは、ピストン機関１の運動系を構成する部品（例えばコネクティングロッド６）の耐荷重等を基に決定される。Ｂ＞ＰＮ＞Ａである場合、圧力調整部３２は、圧力調整機構１２の弁動作装置１２Ｃに制御信号を送り、切替弁１２Ｖを作動させる。
【００５６】
そして、圧力調整部３２は、クランクケース内圧力Ｐｃを、設定した目標平均圧力Ｐｍに変更する（ステップＳ１０６）。また、機関制御部４０ｃは、ピストン機関１の機関回転数Ｎを、目標機関回転数Ｎｍに変更する（ステップＳ１０６）。このとき、制御パラメータ演算部３１は、圧力センサ４１からクランクケース内圧力Ｐｃを取得し、また、機関回転数センサ４２からピストン機関１の機関回転数Ｎを取得して、その情報を圧力制御部３２及び機関制御部４０ｃへフィードバックする。圧力制御部３２及び機関制御部４０ｃは、フィードバックされた情報に基づき、クランクケース内圧力Ｐｃ及び機関回転数Ｎを制御する。
【００５７】
Ｂ＞ＰＮ＞Ａでない場合、すなわちＰＮ≦Ａ又はＢ≦ＰＮである場合、制御パラメータ演算部３１は目標平均圧力Ｐｍを修正する（ステップＳ１０７）。そして、制御パラメータ演算部３１は、修正した目標平均圧力Ｐｍに基づいて再度許容値判定パラメータＰＮを算出し、これが許容範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。許容値判定パラメータが許容範囲にない場合は、制御パラメータ演算部３１は許容値判定パラメータが許容範囲に入るまで目標平均圧力Ｐｍを修正する。
【００５８】
なお、ピストン機関１の運転中には、次のような制御をしてもよい。すなわち、圧力制御装置３０の制御パラメータ演算部３１は、圧力センサ４１からクランクケース内圧力Ｐｃを取得し、また、機関回転数センサ４２からピストン機関１の機関回転数Ｎを取得して、ピストン機関１の運転中における許容値判定パラメータＰＮ＿Ｄ＝Ｐｃ／Ｎ2（Ｐｃ／ｆ2に相当）を算出する。そして、制御パラメータ演算部３１は、ピストン機関１の運転中における許容値判定パラメータＰＮ＿Ｄが前記許容範囲にあるか否かを判定する。
【００５９】
そして、前記許容値判定パラメータＰＮ＿Ｄが前記許容範囲から外れた場合には、前記許容値判定パラメータＰＮ＿Ｄが前記許容範囲に入るように、クランクケース内圧力Ｐｃを修正するように制御する。これによって、ピストン機関１の運転中、ピストン機関１の運動系を構成する部品に想定外の力が作用するおそれを極めて低減できるので、ピストン機関１を安全に運転できる。
【００６０】
以上、この実施例に係るピストン機関は、クランクケース内圧力と機関回転数（ピストンの周波数に相当）とを特定の関係に設定し、かつ機関回転数の増加とともに、クランクケース内圧力を増加させる。これによって、ピストン機関の機関回転数に変化が生じた場合でも、クランクケース内圧力と機関回転数との特定の関係を維持して、ピストンの作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストンの作動により発生する加速度から受ける力とを相殺できる。これにより、この実施例に係るピストン機関は、機関回転数（ピストンの周波数に相当）に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に過度の力が作用することを抑制できる。
【００６１】
なお、上記においては、ピストン機関１がスターリングエンジンである場合の例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン機関は、スターリングエンジン以外の熱機関や装置に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係るピストン機関は、熱機関に有用であり、特に、ピストン機関の運動系を構成する部品に余分な力が作用することを抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この実施例に係るピストン機関を含む排熱回収システムを示す断面図である。
【図２】この実施例に係る圧力制御装置を示す説明図である。
【図３】この実施例に係るクランクケース内の圧力を制御するための手順を示すフローチャートである。
【図４】ピストンに加わる加速度による負荷及びピストンの作動による作動流体の圧力変化を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  ピストン機関
２  シリンダ
２Ｈ  シリンダヘッド
２Ｉ  作動空間
３  ピストン
４  クランクケース
５  クランク軸
６  コネクティングロッド
９  連通通路
１０  加圧気体通路
１１  圧力供給装置
１２  圧力調整機構
１２Ｖ  切替弁
１２Ｃ  弁動作装置
１３  安全弁
１４  内燃機関
３０  圧力制御装置
３１  制御パラメータ演算部
３２  圧力調整部
４０  ＥＣＵ
４０ｃ  機関制御部
４０ｍ  記憶部
４１  圧力センサ
４２  機関回転数センサ
【図１】
2006283729.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006283729.tif 000006